本站 3 月 9 日消息，超导材料是一种具有划时代意义的材料，其应用范围广泛，涵盖医疗保健、能源传输以及量子计算等多个领域。然而，超导材料存在一个显著的局限性 —— 它们只能在极低温度下工作，接近绝对零度，这一限制使得超导材料的潜力无法得到充分发挥。为解决这一难题，科学家们一直在努力开发室温超导材料，但始终存在一个关键问题：超导性是否存在一个上限温度？
这个问题的答案对于确定超导体是否真的能在室温下存在至关重要。例如，如果存在一个低于室温的理论上限温度，那么实现室温超导体从根本上来说是不可能的。近日，伦敦玛丽女王大学的一支研究团队终于找到了答案。在他们的最新研究中，揭示了影响超导温度上限的因素以及适合超导性的最高温度范围。
研究作者们阐明了基本物理常数在其中的作用，如电子质量、普朗克常数（h）、电子电荷以及精细结构常数（α）。这些常数“决定了从原子稳定性到恒星形成以及对生命至关重要的碳和其他元素的合成”等诸多现象。例如，在任何固体中，原子由于热能会围绕固定位置振动。这些振动的速度取决于两个关键因素：键强度和原子质量，而这两个因素又由量子力学和电磁学决定，而量子力学和电磁学则受到基本常数的制约。
通过对这些常数如何影响原子相互作用的分析，研究作者们发现，这些常数对固体材料中原子振动的速度设定了严格的上限。这意味着材料中原子的集体振动 —— 即声子的频率存在一个最大可能值。在许多超导材料中，声子在电子配对（库珀对）过程中起着至关重要的作用，从而实现超导性。声子的频率影响这种配对的强度，进而决定了超导性能够发生的最高温度（TC）。
由于基本常数对声子频率设定了上限，它们也对超导材料中 TC 的上限施加了理论限制。研究作者指出：“超导温度 TC 的上限与自然的基本常数 —— 电子质量、电子电荷以及普朗克常数 —— 内在相关。”
利用这些基本常数，研究作者们确定超导性可以在 100 开尔文到 1000 开尔文的温度范围内存在，这一 TC 的上限范围包括了标准室温值，即 293 K 到 298 K（20 到 25 摄氏度）。
“鉴于我们宇宙的常数，室温超导在理论上是可能的，这一事实令人鼓舞。它激励我们继续探索、实验，并突破可能的边界。”研究人员表示。他们声称，他们的研究结果已经得到了另一项独立研究工作的验证。
本站注意到，该研究发表在《物理学杂志：凝聚态物理》上。
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2023-04-14
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